阵列天线近场校准方法及在波束形成中的应用

杨雷明 李 强 孙广俊

(中国电波传播研究所青岛分所 山东青岛 266107)

0 引言

传统的天线测量方法一般是进行远场测量［1-2］，均假设满足远场平面波入射条件，信号处理简单，远场测量要求测试距离R满足条件:

但是对于大型相控阵天线阵列，天线孔径D很大，得到的测量误差一般比较大，远场测量实现比较困难，天线近场测试方法就是解决这类问题的有效方法。文献［3］表明，天线近场测量结果与远场测量结果主极化方向图一致，并且近场测量结果与理论分析完全吻合。

近场测量技术利用探头在天线口面上做扫描运动，测量口面上的幅度和相位，然后把近场数据转换成远场。近场测试有两种方法:一种是探头紧靠天线阵面，相距仅几个波长的近场测试方法。这种方法要求有高精度的扫描器测试架、探头、机械或激光定位装置等，测试通常在微波暗室中进行，此方法成本较高，并且不适用于短波频段测试。另一种方法是将天线测试信号源或测试探头放置在离天线阵面较远的地方，但仍小于远场测试要求的2D2/λ。此方法理论公式简单，测量环境要求不高，易于实现。

1 天线近场测试方法

图1所示为一种大型相控阵天线的近场测试示意图。测试天线可放置在一个可移动的测试支架上，在图上以At点表示，其坐标位置为(xA，yA，zA)。为了保证在天线口面获得平面波，必须通过相控阵雷达的波束控制设备来修正各单元移相器的相位，以便将球面波变为平面波前，要求波束控制系统提供进行相位修正所需的波束控制数码［3-4］。

图1 大型相控阵天线近场测试示意图

为此，应先求出测试天线至参考单元的距离RA，At至各天线单元的距离Rki，以及它们之间的距离差

通过光学测量测试天线At的位置可在球坐标系里给出，为 (RAt，φAt，θAt)，换算至 (x，y，z)坐标系，表示为:

而放置在倾角为A度的(x1，y1，z1)平面上的第(k，i)单元，在(x，y，z)坐标系里的位置为:

故At至第(k，i)单元的距离Rki可表示为:

再按式(2)，可算出第 (k，i)单元与(0，0)参考单元之间相位误差Δφki为:

上式中L=0，±1，±2，…，L用于考虑修正超过波长整数倍的路程差。

令Δφki与最小计算相移值ΔφBmin之比为τki，则

此时，波束控制系统传送至各个移相器的波束控制数码C(k，i)应为:

其中α，β为整数数码，与波束指向相对应，表示沿y与z方向相邻天线单元之间波束控制数码的增量。

2 阵列校准

阵列校准主要分为两部分:a.闭环校准，主要校准接收通道之间的幅相误差。校准信号等幅同相输入到接收通道，然后比较各通道输出的幅度和相位，以此消除各接收通道之间的幅相误差。b.开环校准，减少校准源的位置误差，校准天线阵各天线单元的幅相误差。首先需要尽可能的减少校准源的位置误差，得到校准源的准确位置后进行阵列的幅相误差校准。由于闭环校准可以实时进行，本文介绍的阵列天线校准方法是在闭环校准即接收阵列各通道幅相误差消除的基础上开展的。阵列天线校准分两步进行，第一步为校准源位置误差的校准，第二步为天馈线幅相误差的校准。

2.1 校准源位置误差校准方法

假设校准源与接收通道在同一平面，为了减少因为人工引入的校准源位置误差，测量多个校准源与接收通道之间的距离和方位，通过测量可以得到

其中(xA，yA)为天线坐标，(xi，yi)为校准源位置坐标。

整理(10)式得:

2.2 天馈线幅相误差校准方法

天馈线误差分析具体步骤:

a.对接收通道幅相误差进行闭环校准;

b.多次测量获取校准源的准确位置;

c.通过天线近场测试方法得到天馈线的幅相误差;

d.将测量得到的天馈线幅相误差进行误差补偿，用补偿过的天线重复步骤c至幅相误差收敛。

对天馈线幅相误差进行校准需要天线阵列向某一根天线幅相对齐，对齐时需要事先补偿掉来波信号的方向矢量［5-9］。天线近场校准流程图如图2所示。

3 试验结果分析

假设校准源与接收天线在同一平面。接收天线阵列由16根天线组成，相邻接收天线间距7m，校准源与天线距离200m左右，频率5～28MHz，由于短波频段干扰较多，通过测量选取干扰较小的频率作为校准源频率。

3.1 阵列天线误差随频率方位变化曲面

以最左边的接收天线作为原点，天线阵列位于横轴上，试验中将校准源变换不同的位置作为阵列的校准天线。接收机经过闭环误差补偿后，得到天线幅相误差随方位与频率变化的离散点，利用曲面拟合得到最终天线的误差曲面如图3所示。

图4给出了8根天线的幅相误差曲面，离散点为拟合之前的测量误差点，图中已经补偿了闭环误差和球面波相移，只保留了天线造成的相位偏移，可以看出天线相位误差在0o附近的分布规律。

3.2 天线误差对波束形成的影响

以频率为20MHz的来波信号为例，图5(a)为脉压结果，可以看出经过闭环和开环误差校准后的脉压结果比未校准时的脉压结果增加了15.03dB。

由图5(b)波束形成图可以看出闭环校准能够得到较强的主瓣，但是旁瓣较高，相对主瓣增益约为-10.33dB。进一步补偿掉天线误差后，主瓣较闭环校准时增强了1dB，旁瓣则降为-13.47dB，较闭环校准时改善了3.14dB。此时的理论主瓣-3dB宽度为9.2o，实际测量主瓣宽度为10.4o。

3.3 三种方法测角结果

在短波频段分别采用常规波束形成、Capon、MUSIC方法进行测角，表1和图6给出了测量结果。可以看出，天线校准之后，测角结果明显集中，偏差较少，在短波低频段的测角结果改善尤为明显。

图5 来波信号显示图

表1 信号测角结果

4 结束语

通过近场多处布置校准源的方法获得天线随频率和方位变化的误差曲面，可用于评估阵列天线的一致性。波束形成后，相对于闭环补偿，天线补偿主瓣变化不大，但是旁瓣明显降低，测角偏差明显减少，并且在短波低频段测角结果表现尤为明显。

图6(a) 常规波束算法测角

图6(b)Capon算法测角

图6(c)MUSIC算法测角

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